Polygraphic Recording Verfahren zur Messung von Schlaf bei Mäusen
Summary
The recording of electroencephalogram (EEG) and electromyogram (EMG) in freely behaving mice is a critical step to correlate behavior and physiology with sleep and wakefulness. The experimental protocol described herein provides a cable-based system for acquiring EEG and EMG recordings in mice.
Abstract
Recording of the epidural electroencephalogram (EEG) and electromyogram (EMG) in small animals, like mice and rats, has been pivotal to study the homeodynamics and circuitry of sleep-wake regulation. In many laboratories, a cable-based sleep recording system is used to monitor the EEG and EMG in freely behaving mice in combination with computer software for automatic scoring of the vigilance states on the basis of power spectrum analysis of EEG data. A description of this system is detailed herein. Steel screws are implanted over the frontal cortical area and the parietal area of 1 hemisphere for monitoring EEG signals. In addition, EMG activity is monitored by the bilateral placement of wires in both neck muscles. Non-rapid eye movement (Non-REM; NREM) sleep is characterized by large, slow brain waves with delta activity below 4 Hz in the EEG, whereas a shift from low-frequency delta activity to a rapid low-voltage EEG in the theta range between 6 and 10 Hz can be observed at the transition from NREM to REM sleep. By contrast, wakefulness is identified by low- to moderate-voltage brain waves in the EEG trace and significant EMG activity.
Introduction
Technische Fortschritte haben oft im Verständnis der neurobiologischen Prozessen gefällte Quantensprünge. Zum Beispiel Hans Berger Entdeckung im Jahre 1929, daß elektrische Potentiale aus der menschlichen Kopfhaut aufgezeichneten die Form von Sinuswellen, deren Frequenz direkt auf das Niveau der Wachsamkeit des fachbezogenen, führte zu raschen Fortschritten im Verständnis der Schlaf-Wach- Regulierung, in Tieren und Menschen gleichermaßen. 1 Bis heute ist das electroencephlogram (EEG), in Verbindung mit dem Elektromyogramm (EMG), dh., elektrische Aktivität von der Skelettmuskulatur produziert, stellt die Daten "Rückgrat" fast jeder experimentellen und klinischen Einschätzung, die das Verhalten und die Physiologie mit der Aktivität der kortikalen Neuronen in benimmt Tieren, einschließlich Menschen korrelieren sucht. Im einfachsten Schlafforschungslaboratorien diese EEG-Aufzeichnungen werden unter Verwendung einer kabelgebundenen System (1), wobei d erworbenen geführtata off-line, um Muster und Spektrumsanalyse unterzogen [z. B. die Anwendung einer schnellen Fouriertransformation (FFT) -Algorithmus] zum Bestimmen der Wachsamkeit des Subjekt aufgezeichnet. 2, 3 Schlaf besteht aus S-Augenbewegung (REM) und Nicht-REM (NREM) schlafen. REM-Schlaf wird durch einen raschen Niederspannungs-EEG, zufällige Augenbewegung und Muskelatonie, einem Zustand, in dem die Muskeln effektiv gelähmt ist. REM-Schlaf ist auch als paradoxer Schlaf bekannt, weil die Aktivität des Gehirns ähnelt der Wachheit, während der Körper ist weitgehend getrennt vom Gehirn und scheint in tiefen Schlaf. Im Gegensatz dazu werden Motoneuronen während der NREM-Schlaf stimuliert aber es gibt keine Augenbewegung. 4 Hz im EEG – Human NREM-Schlaf kann in 4 Stufen, wobei Stufe 4 wird als Tiefschlaf oder Tiefschlaf und wird von großen, langsamen Gehirnwellen mit Delta-Aktivität zwischen 0,5 identifiziert aufgeteilt werden. Auf der anderen Seite, eine Unterteilung zwischen den Phasen des NREM-Schlaf in kleinere Tiere, wie Ratten einnd Mäusen, wurde nicht untersucht, vor allem, weil sie nicht über lange Konzernschlafperioden, wie in den Menschen gesehen.
Im Laufe der Jahre, und auf der Basis von EEG Auslegung, mehrere Modelle von Schlaf-Wach-Regelung, sowohl leitungs- als auch humorale-basierte, wurden vorgeschlagen. Das neuronale und zelluläre Grundlage des Schlafbedürfnis oder alternativ "Schlaf-Antrieb," bleibt ungelöst, aber wurde als homöostatischen Druck, der während der Wachperiode baut und wird durch Schlaf abgeführt konzipiert worden. Eine Theorie ist, dass endogene somnogenic Faktoren im Wachzustand und ihre allmähliche Ansammlung ist der Unterbau des Schlafes homöostatischen Druck aufzubauen. Während die erste formelle Hypothese, dass durch humorale Faktoren Schlaf reguliert hat Rosenbaum Arbeit veröffentlicht im Jahre 1892 4 gutgeschrieben ist, war es Ishimori 5, 6 und Pieron 7, die unabhängig voneinander und vor über 100 Jahren, zeigte die Existenz von schlaffördernde Chemikalien. Beide Forscher vorgeschlagen, und in der Tat bewiesen, dass Hypnogenic Stoffe oder 'hypnotoxins' in der Rückenmarksflüssigkeit (CSF) von übermüdeten Hunde anwesend waren. 8 Im Laufe des letzten Jahrhunderts einige zusätzliche mutmaßliche Hypnogenic Substanzen im Schlaf homöostatischen Prozess verwickelt sind identifiziert worden (für eine Übersicht siehe ref. 9), einschließlich Prostaglandin (PG) D 2, 10 Cytokine, 11 Adenosin, 12 Anandamid, 13 und dem Urotensin-II-Peptid. 14
Experimentelle Arbeiten von Economo 15, 16, Moruzzi und Magoun 17, und andere in den frühen und mittleren 20. produziert Erkenntnisse Jahrhundert, das zu einem gewissen Grad inspiriert leitungsbasierten Theorien von Schlaf und Wachsein, und, überschattete die dann herrschenden humorale Theorie Schlaf. Bis heute mehrere "Schaltungsmodelle" wurden vorgeschlagen, die jeweils von Daten unterschiedlicher Qualität und Quantität informiert (zur Übersicht siehe Ref. 18). Ein ModellBeispielsweise schlägt vor, langsame Wellen Schlaf wird durch Adenosin-vermittelte Hemmung der Acetylcholin-Freisetzung aus cholinergen Neuronen im basalen Vorderhirn, eine Fläche hauptsächlich consisiting des Kerns des horizontalen Schenkels des diagonalen Bandes von Broca und Substantia inominata generiert. 19 Ein weiteres beliebtes Modell der Schlaf- / Wach-Regulation wird eine Flip-Flop-Schaltmechanismus auf der Grundlage von gegenseitig hemmenden Wechselwirkungen zwischen einschläfernde Neuronen im ventrolateralen präoptischen Bereich und Wake-Induktion Neuronen im Hypothalamus und Hirnstamm. 18, 20, 21 Außerdem wird für die Umschaltung in die und aus der REM-Schlaf eine ähnliche ineinander inhibitorische Wechselwirkung wurde für Bereiche im Hirnstamm vorgeschlagen worden sind, ist, dass die ventralen periaqueductal grau, seitlichen Brückenhaube und sublaterodorsal Kern. 22. Zusammengenommen haben diese Modelle nützlich erwiesen Heuristik und lieferte wichtige Interpretationsrahmen für die Studien in der Schlafforschung; jedoch ein yet besseren Verständnis der molekularen Mechanismen und Schaltungen Regulierung des Schlaf-Wach-Zyklus wird eine vollständigere Kenntnis seiner Komponenten. Das System für die Druck- und Papierschneide Aufnahme unten detailliert sollte in diesem Ziel zu unterstützen.
Protocol
Representative Results
Discussion
Dieses Protokoll beschreibt ein Set-up für EEG / EMG-Aufnahmen, die die Bewertung von Schlaf und Wachsein unter geräuscharme, kostengünstige und Hochdurchsatzbedingungen ermöglicht. Aufgrund der geringen Größe des EEG / EMG Elektrodenkopfanordnung kann dieses System mit anderen Implantaten zur intra-Hirn Versuche einschließlich Optogenetik (Glasfaser-Implantation) oder in Verbindung mit gleichzeitiger Kanüle Implantation Mikroinfusion von Medikamenten in die Maus kombiniert werden Gehirn. 31. Darüber…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
We thank Dr. Larry D. Frye for editorial help with this manuscript. This work was supported by Japan Society for the Promotion of Science Grants-in-Aid for Scientific Research 24300129 (to M.L.), 25890005 (to Y.O.) and 26640025 (to Y.T.), the National Agriculture and Food Research Organization (to Y.U.), the World Premier International Research Center Initiative (WPI) from the Ministry of Education, Culture, Sports, Science, and Technology (to Y.O., Y.T., Y.U. and M.L.) and the Nestlé Nutrition Council, Japan (to M.L.).
Materials
| 4-pin header | Hirose | A3B-4PA-2DSA(71) | |
| Ampicillin | Meiji Seika | N/A | |
| Analog-to-digital converter | Contec | AD16-16U(PCIEV) | |
| Caffeine | Sigma | C0750 | |
| Carbide cutter | Minitor | B1055 | |
| Crimp housing | Hirose | DF11-4DS-2C | |
| Crimp socket | Hirose | DF11-30SC | |
| Dental cement (Toughron Rebase) | Miki Chemical Product | N/A | |
| Epoxy adhesive | Konishi | #16351 | |
| FFC/FPC connector | Honda Tsushin Kogyo | FFC-10BMEP1(B) | |
| Flat cable | Hitachi Cable | 20528-ST LF | |
| Instant glue (Aron Alpha A) | Toagosei | N/A | |
| Meloxicam | Boehringer Ingelheim | N/A | |
| Pentobarbital | Kyoritsu Seiyaku | N/A | |
| Signal amplifier | Biotex | N/A | |
| Sleep recording chamber | APL | N/A | |
| SleepSign software | Kissei Comtec | N/A | for EEG/EMG recording/analysis |
| Slip ring | Biotex | N/A | |
| Stainless steel screw | Yamazaki | N/A | φ1.0×2.0 |
| Stainless steel wire | Cooner Wire | AS633 |
References
- Berger, H. Über das Elektrenkephalogramm des Menschen. Arch. Psych. 87 (1), 527-570 (1929).
- Tobler, I., Deboer, T., Fischer, M. Sleep and sleep regulation in normal and prion protein-deficient mice. J. Neurosci. 17 (5), 1869-1879 (1997).
- Kohtoh, S., et al. Algorithm for sleep scoring in experimental animals based on fast Fourier transform power spectrum analysis of the electroencephalogram. Sleep Biol. Rhythm. 6 (3), 163-171 (2008).
- Rosenbaum, E. . Warum müssen wir schlafen? : eine neue Theorie des Schlafes. , (1892).
- Kubota, K. Kuniomi Ishimori and the first discovery of sleep-inducing substances in the brain. Neurosci. Res. 6 (6), 497-518 (1989).
- Ishimori, K. True cause of sleep: a hypnogenic substance as evidenced in the brain of sleep-deprived animals. Tokyo Igakkai Zasshi. 23, 429-457 (1909).
- Legendre, R., Pieron, H. Recherches sur le besoin de sommeil consécutif à une veille prolongée. Z. Allegem. Physiol. 14, 235-262 (1913).
- Inoué, S., Honda, K., Komoda, Y. Sleep as neuronal detoxification and restitution. Behav. Brain. Res. 69 (1-2), 91-96 (1995).
- Urade, Y., Hayaishi, O. Prostaglandin D2 and sleep/wake regulation. Sleep Med. Rev. 15 (6), 411-418 (2011).
- Ueno, R., Ishikawa, Y., Nakayama, T., Hayaishi, O. Prostaglandin D2 induces sleep when microinjected into the preoptic area of conscious rats. Biochem. Biophys. Res. Commun. 109 (2), 576-582 (1982).
- Krueger, J. M., Walter, J., Dinarello, C. A., Wolff, S. M., Chedid, L. Sleep-promoting effects of endogenous pyrogen (interleukin-1). Am. J. Physiol. 246 (6 Pt 2), R994-R999 (1984).
- Porkka-Heiskanen, T., et al. Adenosine: a mediator of the sleep-inducing effects of prolonged wakefulness. Science. 276 (5316), 1265-1268 (1997).
- Garcia-Garcia, F., Acosta-Pena, E., Venebra-Munoz, A., Murillo-Rodriguez, E. Sleep-inducing factors. CNS Neurol. Disord. Drug. Targets. 8 (4), 235-244 (2009).
- Huitron-Resendiz, S., et al. Urotensin II modulates rapid eye movement sleep through activation of brainstem cholinergic neurons. J. Neurosci. 25 (23), 5465-5474 (2005).
- Wilkins, R. H., Brody, I. A. Encephalitis lethargica. Arch. Neurol. 18 (3), 324-328 (1968).
- von Economo, C. Die encephalitis lethargica. Wien. Klin. Wochenschr. 30, 581-585 (1917).
- Moruzzi, G., Magoun, H. W. Brain stem reticular formation and activation of the EEG. Electroencephalogr. Clin. Neurophysiol. 1 (4), 455-473 (1949).
- Saper, C. B., Fuller, P. M., Pedersen, N. P., Lu, J., Scammell, T. E. Sleep state switching. Neuron. 68 (6), 1023-1042 (2010).
- Jones, B. E., Krnjevic , K., L, D. e. s. c. a. r. r. i. e. s., S, M. i. r. c. e. a. . Progress in Brain Research. 145, 157-169 (2004).
- Saper, C. B., Scammell, T. E., Lu, J. Hypothalamic regulation of sleep and circadian rhythms. Nature. 437 (7063), 1257-1263 (2005).
- Fort, P., Bassetti, C. L., Luppi, P. H. Alternating vigilance states: new insights regarding neuronal networks and mechanisms. Eur. J. Neurosci. 29 (9), 1741-1753 (2009).
- Lu, J., Sherman, D., Devor, M., Saper, C. B. A putative flip-flop switch for control of REM sleep. Nature. 441 (7093), 589-594 (2006).
- Paxinos, G., Franklin, K. B. J. . The mouse brain in stereotaxic coordinates. , (2001).
- Lazarus, M., et al. Arousal effect of caffeine depends on adenosine A2A receptors in the shell of the nucleus accumbens. J. Neurosci. 31 (27), 10067-10075 (2011).
- Huang, Z. L., et al. Adenosine A2A, but not A1, receptors mediate the arousal effect of caffeine. Nat. Neurosci. 8 (7), 858-859 (2005).
- Qu, W. M., Huang, Z. L., Xu, X. H., Matsumoto, N., Urade, Y. Dopaminergic D1 and D2 receptors are essential for the arousal effect of modafinil. J. Neurosci. 28 (34), 8462-8469 (2008).
- Huang, Z. L., et al. Arousal effect of orexin A depends on activation of the histaminergic system. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 98 (17), 9965-9970 (2001).
- Xu, Q., et al. A mouse model mimicking human first night effect for the evaluation of hypnotics. Pharmacol. Biochem. Behav. 116, 129-136 (2014).
- Cho, S., et al. Marine polyphenol phlorotannins promote non-rapid eye movement sleep in mice via the benzodiazepine site of the GABAA receptor. Psychopharmacol. 231 (14), 2825-2837 (2014).
- Liu, Y. Y., et al. Piromelatine exerts antinociceptive effect via melatonin, opioid, and 5HT1A receptors and hypnotic effect via melatonin receptors in a mouse model of neuropathic pain. Psychopharmacol. 231 (20), 3973-3985 (2014).
- Qu, W. M., et al. Lipocalin-type prostaglandin D synthase produces prostaglandin D2 involved in regulation of physiological sleep. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 103 (47), 17949-17954 (2006).
